论文总字数：19022字

摘 要

锂电池作为一种新型储能电池在近几十年来一直受到各界的广泛关注，随着电子产品的不断更新换代以及电动汽车取代内燃机汽车的趋势，锂电池需要改进以满足下一代轻型、大容量电子产品的需求。传统的正极材料难以满足其能量密度的需求，因此需要开发新型的高比容量的正极材料。氟化铝因其理论比容量达到了957mAh g^-1 ，高于目前多数商业化的正极材料，且其原料来源丰富、性质稳定、对环境无污染等优点，有望作为新型锂电池正极材料。本论文探讨了沉淀法合成氟化铝的工艺对其结构及其电化学性能的影响。

本文以硝酸铝、氟化铵等原料通过沉淀法合成氟化铝，并在不同温度下对氟化铝进行热处理。对合成产物的XRD图谱分析发现低温下得到β相氟化铝，高温热处理后得到α相氟化铝；扫描电子显微镜分析氟化铝形貌发现低温下氟化铝颗粒尺寸更小。针对氟化铝电化学性能分析表明，在0.005C的倍率下经过350℃热处理的氟化铝性能最好，放电比容量达到400 mAh g^-1。

关键词：锂离子电池；氟化铝；沉淀法；电化学性能

Abstract

As a new type of energy storage battery, lithium battery has been widely concerned in recent decades. With the continuous upgrading of electronic products and the trend of electric vehicles replacing internal combustion engines, lithium battery needs to be improved to meet the needs of the next generation of light and high-capacity electronic products. It is difficult for traditional cathode materials to meet their energy density requirements, so new cathode materials with high specific capacities need to be developed. Because the theoretical capacity of AlF₃ is 957mAh g^-1, which is higher than the current majority of commercial materials, and its raw materials are rich, stable, pollution-free to the environment, it is expected to be used as a new cathode material for lithium batteries. In this paper, the influences of preparation process on the structure and electrochemical properties of aluminum fluoride were discussed.

In this paper, aluminum fluoride was synthesized used aluminum nitrate, ammonium fluoride as raw materials by a precipitation method. The aluminum fluoride was heated at different temperatures. XRD analysis show that by β phase aluminium fluoride is obtained at low temperature, and α - phase aluminum fluoride is obtained at high temperature. Scanning electron microscope (SEM) results show that the particle size of aluminum fluoride obtained at low temperature is smaller. Electrochemical performance tests displays that aluminium fluoride heated at 350 ℃ shows best performance. The specific discharge capacity can reach 400 mAh g ^-1 at 0.005 C.

Key words: Lithium-ion batteries; Aluminum fluoride; Precipitation; Electrochemical perforamnce

目 录

第1章 绪论 1

1.1 锂离子电池概述 1

1.2 氟化铝材料概述 2

1.3 正极材料的合成方法 5

1.4主要研究内容 6

第2章 实验方法及表征 7

2.1 原材料及设备 7

2.2 沉淀法制备氟化铝 8

2.3 氟化铝的结构、形貌、电化学性能测试 8

2.3.1 XRD 表征 8

2.3.2 SEM表征 9

2.3.3 电化学性能测试 9

2.4 测试方法 10

第3章 沉淀法制备氟化铝 11

3.1 氟化铝的结构、形貌表征 11

3.1.1 氟化铝X射线衍射分析 11

3.1.2 扫描电子显微镜微观形貌分析 12

3.2 氟化铝电化学性能分析 13

第4章 总结 17

4.1工作总结 17

4.2 未来展望 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

在二十一世纪初，随着工业的不断发展，传统的化石能源储备不断下降，及其所带来的污染严重影响了人类的可持续发展，而电能作为一种清洁能源必将取代传统化石能源。人类的发展离不开工业，而工业的命脉就是能源，目前传统工业所消耗的能源大多集中在化石燃料类能源，这些能源问题在于不可再生性和环境污染性，传统能源的局限性终将制约社会发展。近年来，人类一直在尝试开发太阳能、风能等清洁能源，但是这些能源存在诸多问题，例如能源获取不稳定性和间歇性，因此需要正常利用这些能源就需要将其转化为电能，再将其合理输出。锂离子电池作为目前最新型的的电能储存和转换装置，与其他电池相比具有更高的能量密度，因其具有使用寿命长、高能量、低能耗、绿色环保等优点，这让其在过去的几十年里在能源储存设备市场一直占据主导地位，已经应用于手机、笔记本电脑、数码相机、电动车、电新能源汽车等行业。但是随着电子产品的不断更新换代以及电动汽车取代内燃机汽车的趋势，锂电池需要改进以满足下一代轻型、大容量电子产品的需求。传统的正极材料难以满足其能量密度的需求，因此需要开发新型的高比容量的正极材料。

1.1 锂离子电池概述

最早投入使用的商业化锂离子电池是在上世纪九十年代，自此锂离子电池的发展已有三十多年的发展历史。锂离子电池一经面世就受到全社会的广泛关注，其有着诸多优点比如高于传统电池的能量密度，过去很多种类的电池都因为其对环境污染被诟病，但是锂离子电池对环境的污染很小并且使用寿命长，既经济又环保。

基于锂离子的嵌入和脱出机制，并且将锂离子作为电荷载体的新型离子电池，称为锂离子电池。锂离子的嵌入和脱出需要其正负极材料的空间足够大，其通道可以让锂离子顺畅的通过，电解质一般使用含有锂盐的且不含水电解质。关于锂离子电池组的组成结构，首先是其中的正极和负极，这两种电极材料一般为离子和电子混合导体，电解液一般是包含锂盐的离子导体，锂盐提供锂离子是运输电荷的载体，为了防止正负极之间发生不必要的反应，为了避免正负极发生短路，用隔膜将正极和负极分隔开，但是隔膜并不会阻挡电解质中锂离子的流通。在锂离子电池的正常工作过程中，锂离子不断在电池正极和负极之间嵌入与脱出，由于两种电极独特的晶体结构，正常充放电过程中这种嵌入与脱出不会破坏正极、负极材料的晶体结构，并且负极材料的化学结构也不会发生变化。选择正极材料至关重要，嵌锂离子化合物通常会被采用，其特点是有着高电位平台的，如LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiCoO₂等；与此相反的是负极材料要求是低电位平台的嵌锂化合物，一高一低实现电势差。具有层间结构的石墨，硅等。电解液一般选用溶解有LiPF₆的锂盐的有机碳酸酯溶剂。隔膜采用浸润性好的聚乙烯膜。

作为锂离子电池的正极材料，应该满足以下三个条件：一是充放电过程中，正极材料与电解质不会发生不必要的反应，两者具有很好的相容性，且正极材料的电化学性能要稳定；二是具有较好的电极过程动力学性能；三是具有锂离子嵌入脱出的完全可逆性能。目前，锂离子电池正极材料主要为Li-M-O系统(M=Co、Ni、Fe、Mn、V等过渡金属)。对于锂离子电池的容量以及循环性能，正极材料的晶体结构的稳定性及其充放电性能起着决定性作用，因此想要提升锂离子电池的容量来满足未来社会的需求，正极材料的研究至关重要。

在充电过程中电能由外电路提供，首先Li 从正极材料中脱出，然后会经过隔膜和电解液到达负极，最终会嵌入到负极材料中。在这个过程里，负极会富集锂，呈现富锂态，与此同时等量的电子通过外电路从正极转移到负极，以此保持两种电极之间处于电中性。在放电过程中，之前嵌入负极层间的锂离子会重新脱出，向着相反与充电时的方向回到正极，此时电子通过外电路从负极回到正极，从而在外电路中产生电流。

锂离子电池被广泛使用的理由：

（1）能量密度高：具有高比容量，达到了460-600Wh/kg，大约是传统的铅酸电池的6-7倍。

（2）使用寿命长：使用寿命高达6年以上。

（3）输出电压高：输出电压一般可以达到3.6-3.9V。

（4）自放电率低：不会经常 “漏电”，这个特点也是使其在日常生活中得到广泛应用的原因之一。

（5）绿色环保：在生产使用过程中都不会产生有害重金属元素，例如铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）等。

目前商业用的正极材料仍以锂离子嵌入材料为主。在电池充放电过程里，材料中的晶格原子虽然发生了位移，但是其位移程度比较小，远远没有达到改变其晶体结构的地步，以此保证了电极材料使用寿命长。电极材料的氧化还原反应中包括电子的传输和随之发生的离子的嵌入和脱嵌，所以电极材料的电子、离子传输性能可以得到保证。锂离子的传输通道分别为一维（TiS₃），二维（LiMO₂）和三维（LiMn₂O₄）。目前人们对正极材料的研究分为很多个方向：比如层状化合物以及尖晶石型化合物，这些化合物多是锂的过渡金属酸盐 Li_xM_yO_z，其中M是过渡金属元素，常用的材料是氧化钴锂，但其缺点是价格高；或者是含有四面体或八面体的阴离子结构单元(XO_m)_n-的聚阴离子型化合物，其中X=P、S、As、Si、Mo；再或者是一些金属氟化物，基于转化反应机制，多电子可逆氧化还原反应，使其具备了嵌锂功能，并且其本身具有较高的电位平台，是研究锂离子电池正极材料的新方向。

1.2 氟化铝材料概述

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